电子技术综合设计和实践

课程设计

课程名称电子技术综合设计和实践

题目名称交通灯控制器

学生学院自动化学院

专业班级电气及其自动化（电气与电子技术）（2）班学号3112001262

学生姓名黄逸龙

指导教师尹明

2014 年11 月19 日

广东工业大学课程设计任务书

题目名称交通灯控制器

学生学院自动化学院

专业班级电气及其自动化（电气与电子技术）（2）班

姓名黄逸龙

学号3112001262

一、课程设计的内容

设计功能要求

设计一个十字路口的红、绿、黄三色信号交通灯控制电路。

二、课程设计的要求与数据

1). 用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。主干道为东西向，有红、绿、黄三个灯；支干道为南北向，也有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。

2).由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道绿灯时间较长。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，两者交替重复。主干道每次放行50秒，支干道每次放行30秒。

在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，需要亮5秒的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停靠到禁行线以外。

3). 能实现正常的、即时显示功能。用DE2上的四个七段数码管作为倒计时显示器。分别显示东西、南北方向的红灯、绿灯、黄灯时间。

4).能实现特殊状态的功能显示。设S为特殊状态的传感器信号，当Ｓ=1时，进入特殊状态。当Ｓ=0时，退出特殊状态。按S后，能实现特殊状态功能：（1）显示器闪烁；

（2）计数器停止计数并保持在原来的数据；

（3）东西、南北路口均显示红灯状态；

（4）特殊状态结束后，能继续对时间进行计数。

5).能实现总体清零功能。按下R后，系统实现总清零，计数器由初始状态开始计数，对应状态的指示灯亮。

6）.利用QUARTUSⅡ软件，设计符合以上功能要求的交通灯控制器。用图形输入方法。控制器、计数器的功能用功能仿真的方法验证，可通过观察有关波形确认电路设计是否正确。通过编译，仿真和综合，并下载到相应芯片中实现，最后在学习机上验证设计课题的正确性。在学习机上验证结果。

三、课程设计应完成的工作

●根据设计要求，选取实现各种功能的集成芯片，划分各个功能模块。

●用QuartusII绘制电路原理图，并分配引脚，编译仿真。

●接入DE2电路板进行功能测试。

●对有缺陷的功能模块进行分析修改，以完善功能。

●完成课程设计报告书。

四、课程设计进程安排

五、应收集的资料及主要参考文献

[1]尹明. 电子技术综合设计与实践教程. 西安: 西安电子科技大学出版社,

2011.6：50-53。

[2]阎石主编．数字电子电路基础[第五版]．高等教育出版社，2005.12：215-318

发出任务书日期：2014 年11 月17 日指导教师签名：

计划完成日期： 2014 年 11 月 19 日基层教学单位责任人签章：

主管院长签章：

摘要

本文是关于交通灯控制器，采用Altera DE2 实验版进行实验设计。采用74系列数字芯片进行逻辑电路的搭建，实现课题所要求的功能。在Quartus2上建立对应的数字逻辑电路图，根据操作流程，进行功能仿真和时序仿真，达到要求目的以后，生成目标文件配置DE2版，实现任务设计。

关键词：DE2版 74系列数字芯片逻辑功能

目录

1 设计任务目的与要求 (1)

1.1设计目的 (1)

1.2设计要求 (2)

2 模块及其原理介绍 (2)

2.1设计总图 (2)

2.2各元件部分功能模块 (3)

3 设计方案 (4)

3.1设计思路 (4)

3.2原理框图 (5)

3.3流程图 (6)

4 实验结果与数据分析 (6)

4.1操作步骤 (6)

4.2实验现象 (6)

5 结论与问题讨论 (7)

5.1完成设计要求的程度 (7)

5.2问题及解决方法 (7)

5.3存在的不足及改进思路 (7)

5.4心得体会 (7)

6 参考文献 (8)

1 设计任务目的与要求

1.1设计任务目的

旨在加强学生对数字电子技术的认识，提高学生的课程设计水平，加强学生的实验能力

1)设计一个十字路口的红、绿、黄三色信号交通灯控制电路。

2)利用DE2板对所设计的电路进行验证；

3)总结电路设计结果。

1.2设计任务要求

1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。主干道为东西向，有红、绿、黄三个灯；支干道为南北向，也有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。

2.由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道绿灯时间较长。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，两者交替重复。主干道每次放行50秒，支干道每次放行30秒。

3.在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，需要亮5秒的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停靠到禁行线以外。

4.能实现正常的、即时显示功能。用DE2上的四个七段数码管作为倒计时显示器。分别显示东西、南北方向的红灯、绿灯、黄灯时间。

5.能实现特殊状态的功能显示。设S为特殊状态的传感器信号，当Ｓ=1时，

进入特殊状态。当Ｓ=0时，退出特殊状态。按S后，能实现特殊状态功能：

1)显示器闪烁；

2)计数器停止计数并保持在原来的数据；

3)东西、南北路口均显示红灯状态；

4)特殊状态结束后，能继续对时间进行计数。

6.能实现总体清零功能。按下R后，系统实现总清零，计数器由初始状态开始计数，对应状态的指示灯亮。

7.利用QUARTUSⅡ软件，设计符合以上功能要求的交通灯控制器。用图形输入方法。控制器、计数器的功能用功能仿真的方法验证，可通过观察有关波形确认电路设计是否正确。通过编译，仿真和综合，并下载到相应芯片中实现，最后在学习机上验证设计课题的正确性。在学习机上验证结果。

2 模块及其原理介绍

2.1 设计电路总图

2.2各元件部分功能模块

2.2.1 显示译码模块

显示译码器有7段可发光的线段组成，每个线段都是

发光二极管。发光二极管使用的材料与普通的二极管不同，

外加正电压的时候，大量的电子和空穴在扩散过程中复合，

其中一部分电子从倒带跃迁到介带，把多余的能量以光的

形式散发出来。在此课程设计中，7447主要用到使能引脚BIN，将S输入的高电平和时钟进行“与”运算，然后输入引脚BIN中，使显示器闪烁。

2.2.2 分频模块

通过将DE2板原本的高频时钟分频成秒脉冲时钟，分频

到74190计数器和7447显示器。由于系统提供50MHZ的时钟

信号，若要达到秒脉冲的要求，必须将其分频成2^25，故输

入由高至低11001便达到设计要求。

2.2.3 控制模块/置数模块

将输出的A、B端口接与非入置数引脚LDN，即产生一

个二位四进制计数器，输出用于控制总电路的四种状态。时钟信号引脚CLK接74190MXMN引脚输出的高电平使74160进入下一个控制状态，实现循环控制。而LDN引脚同时兼顾着R信号低电平时的清零功能。

2.2.4 定时模块/计数模块

用两个74190芯片连成一个从99倒计时到00的计数器，其中把个位数的74190芯片CLK连接到脉冲发生器，再把个

位数74190输出端的QA、QD用一个与门链接到十位数74190

的CLK端。

3 设计方案

3.1 设计思路

交通灯控制器的框图如图 1 所示，包括置数模块、计数模块、主控模块、译码器模块、清零模块、定时模块、特殊功能模块几个部分。置数模块将交通灯的点亮时间预置到置数电路中。计数模块以基准时间秒为单位做倒计时。当计数值减为零即预置时间到，主控电路改变输出状态，电路进入下一个状态的倒计时。译码器模块将主控电路的当前状态译码为红、绿、黄三色灯的点亮信号。其中，核心部分是主控制模块。

1)主控器模块

根据设计任务，共有4种状态，可以用二位二进制码（S1 S0）表示，若将红、绿、黄灯分别用 R、G、Y 表示，A、B分别代表主干道的东西向和支干道的南北向，设主干道绿灯亮的时间为TA,支干道绿灯亮的时间为TB黄灯亮的时间为TY，则有如图1所示交通灯控制状态图。

根据这个状态图可得出主控制器的电路。该电路可设计成时序电路，也可以设计成组合电路并在输出端加触发器。

2)译码电路

译码电路将主控器的输出状态(S0 S1 ) 译码为东西、南北方向6个交通灯

的信号，“1”表示亮灯，“0”表示灭灯，对应的真值表如表1所示。

采用真值表写出逻辑式后，画出交通灯的译码电路。

3)置数模块

置数模块分为A、B二个部分，分别给东西、南北方向的计数器A和B提供

计数时的初始值，它们都是两位BCD码。置数模块A的预置数据如表2所示。

T B=0

图1 交通灯控制器状态图

4)计数模块

计数模块接收置数模块数据后，在秒脉冲作用下进行减法计数。当计时时间到达，则重置数据后再进行减运算。计数模块也有Ａ和Ｂ两个。

计数模块可以用可预置十进制减计数器，连接成两位十进制计数器。

5)特殊功能显示模块

当出现特殊情况时，要求计时显示发生闪烁，将输入和时钟信号进行与运算，用S控制。

6)清零模块

当需要进行系统总清零时，要求74160与74190置数至初始状态，将输入信号接入74160与74190的LDN引脚，用R控制。

7)定时模块

用于控制状态的保持和给出高电平是控制信号转到下一个状态。

3.2 原理框图

交通灯控制器框图如图2

??????????????

图2 交通灯控制器框图

3.3 流程图

4 实验结果与数据分析

4.1 操作步骤

1)在QuartusII软件上创建工程文件进行编译，分配引脚，连接DE2版，配置

FPGA。

2)按复位按键，计数器开始计时，显示译码器上显示时间。

3)再按复位按键，计数器暂停工作，显示译码器清零。

4.2实验现象

1)开始显示时，支干道显示器显示55s并做秒脉冲减一计数，亮红灯；主干道

显示器显示50s并做秒脉冲减一计数，亮绿灯。

2)将R开关打至低电平，支干道显示器显示55s，不计数，亮红灯；主干道显

示器显示50s，不计数，亮红灯。打至高电平，开始计数并支干道亮红灯和主干道亮绿灯

3)将S开关打至高电平，显示模块闪烁，计数停止。恢复为低电平时，继续计

数，显示不闪烁。

5 结论与问题讨论

5.1完成设计要求的程度

基本完成课程设计要求

5.2问题及解决方法

在此次的课程设计中，遇到了不少问题，以下就主要问题进行说明

1)问题：无法置数

解决方法：检查后发现没有时钟信号给74160的CLK，故后来将定时器模块的74190MXMN输出给74160当时钟。

2)问题：置数出错

解决方法：检查后发现，电路中无法保证先进行74160计数加一后进行74190置数的时序，故后来让74190进行计数时让74160进行置数。

3)问题：清零是恢复不到初始状态

解决方法：检查后发现，电路中原本用R信号控制置数端的清零方式不可靠，故后来直接将R信号接74160的CLRN引脚

。

5.3存在的不足及改进思路

1)不足：为了使译码电路简单不易出错，最后设计出来的电路没有完全按照书

本指定的时序进行工作。

改进思路：采用74175作为译码电路即可

2)不足：R取反接74160和74190LDN引脚后，出现置数不正常，故没有取反，

R依旧是高电平时电路正常工作。

改进思路：不采用开关式清零，采用按钮式清零。

5.4心得体会

在本次的实验过程当中，我们小组的人员都非常努力，大家同心协力去翻阅资料，废寝忘食，齐齐设计电路的方案，共同讨论问题。最后，我们终于完成了设计要求。虽然还是有不足，但这不能否定我们所取到成绩，还有收获到东西，我们加深了对数字电子技术的了解，丰富了这门课程的知识。更重要的是，通过这次实验，我们深深了解到团队合作的重要性，培育了我们合作交流的能力，领悟到科学的魅力和电子技术的重点，还大大提升了我们动手动口的能力，最终我们收获了很多。这个课程设计不愧是学校领导为我们创造性的科学安排，感谢你们！

6 参考文献

[3]尹明. 电子技术综合设计与实践教程. 西安: 西安电子科技大学出版社,

2011.6：50-53。

[4]阎石主编．数字电子电路基础[第五版]．高等教育出版社，2005.12：215-318